零改變、零成本：矽光子中的電子整合實現即時可控干涉網格

光子積體電路（PIC）廣泛應用於光學計算、電信與感測領域。然而，實現大規模可程式化光子電路（例如干涉儀網格）時，所需的大量電連接是主要挑戰之一。穩定操作與編程需要大量光感測器與相位調節器，這些元件傳統上依賴外部控制電子裝置來實現，但電連接數量受限，難以控制複雜光子電路。

本文簡介米蘭理工大學提出的一種新方法：在標準矽光子（SiP）平台上直接整合電子電路，且無需修改現有製程。此「零改變、零成本」技術結合多工器與記憶裝置，顯著減少外部連接數量，仍能實現光子功能的閉迴路控制。

矽光子中的零改變、零成本電子技術

核心技術

該技術的核心在於利用矽光子平台中已有的n型與p型摻雜製程，在波導側面構建晶體管。關鍵結構包括：

• 晶體管閘極：利用波導間的最小蝕刻距離（約200 nm）作為閘氧層。

• 源極與汲極：透過摻雜技術在波導層上沿其長度形成，並透過金屬通孔與金屬層連接。

這種方法無需改變現有矽光子製造流程，即可將電子功能整合到光子電路中，實現高效控制。

用於光子電路的類比多工器（MUX）

為降低光子晶片與外部控制電子設備間的連接數，研究人員利用nMOS與pMOS晶體管設計出類比多工器（MUX）。具體應用包括：

• 光感測器訊號讀取：由596個nMOS與84個pMOS晶體管組成的MUX，將網格中16個光二極體的訊號連接到單個輸出埠，透過一個轉阻放大器（TIA）實現序列讀取。

• 多工器性能：MUX更新時間約為2微秒。測試顯示，MUX可正確提供MZI傳輸函式的資訊。

可程式化光子網路格的多工控制

研究證實，MUX可實現可程式化光子電路的即時組態與穩定控制。MUX/DEMUX的位元命令透過時間多工技術自動迴圈，允許多個元件的順序控制。實際方法包括：

• 時間多工讀取與控制：電子控制器實現光檢測器訊號的時間多工讀取與熱相移器的啟動，透過自動迴圈多工器命令達成設備控制。

• 片上記憶體與控制：將具有700個並聯nMOSFET的功率晶體管與片上樣本保持（Sample & Hold）記憶體整合，提供20奈秒的取樣時間與約0.1秒的保持時間。

研究顯示，在每個MZI進行約2毫秒的多工控制後，訊號品質仍保持穩定。測試中，10 Gbps調製訊號經兩級MZI傳輸後，位元錯誤率與眼圖均無明顯損失，證實了該方法在大規模光子晶片中的應用潛力。

結論

此零改變、零成本技術突破了大規模可程式化光子電路的電連接瓶頸，為設計與實現複雜光子網路格與路由器鋪平道路。透過標準矽光子製程，研究團隊成功將電子與光子元件整合於同一晶片，無需對技術流程進行昂貴修改。

該技術的重大意義在於其可行性與經濟性，不僅能直接應用於現有矽光子製程，也能加速創新光子解決方案的開發。

參考資料

[1] F. Zanetto, F. Toso, M. Crico, F. Morichetti, A. Melloni, G. Ferrari, and M. Sampietro, "Zero-Change Zero-Cost Electronics in Silicon Photonics for Real-Time Control of Programmable Interferometric Meshes," in Department of Electronics Information and Bioengineering, Politecnico di Milano, Politecnico di Milano, Department of Physics, 20133 Milano, Italy, 2024.